一种焦炭热反应性试验系统的制作方法

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种焦炭热反应性试验自动控制系统。

背景技术：

焦炭作为工业生产中的一种重要燃料，在许多行业中发挥着不可替代的作用。作为高炉炼铁不可缺少的炉料，焦炭对高炉炼铁技术进步的影响率达30％以上，其在高炉炼铁技术中占有重要的地位。

焦炭的质量影响高炉炼铁，焦炭反应性及反应后的强度试验，是生产中检验炼铁焦煤质量的重要手段。现行的《焦炭热反应性及反应后强度试验》国家标准要求，试验过程中，料层温度达400℃时，以一定流量通N₂；达1100℃时，切断N₂，以一定流量通CO₂；反应2小时后，停止加热，切断CO₂，以一定流量改通N₂至料层温度达到100℃后再关闭N₂。升温过程中，升温速度需达到8-16℃/min；通CO₂时，温度应在5-10min内达到1100±5℃；恒温时，需保证料层温度稳定在1100±5℃。由于试验方法为行业内的规范性试验方法，必须严格按照上述的试验条件进行试验，否则不同试验设备的数据将不具有参考性。

现有的试验设备多采用PID控温。然而，仅仅采用简单的PID控制存在以下问题：一、试验设备本身的结构及反应器的引入会降低传热效率，且无主动冷却措施，导致炉体内部热惯性大，控制时存在明显滞后；二、在试验过程中，需要多次进行通气的切换，且CO₂与焦炭的反应本身是一个较强的吸热反应，反应持续时间较长，这对于控制系统来说，并非一个小的扰动量，其改变了被控对象的参数。因此，在面对内部具有较大滞后的电炉，且其外部条件发生多次较大改变时，简单的PID控制系统控温效果并不理想，无法满足试验对温度的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种料层温度实时可控的焦炭反应性试验自动控制系统。

本发明采用的技术方案是：一种焦炭热反应性试验系统，主要包括电炉、N₂气瓶、CO₂气瓶和控制装置，所述电炉内置有焦炭反应器，焦炭反应器内设有热电偶和电加热体，焦炭反应器的进气口通过第一管道与三通接头的出口连通，三通接头的第一入口通过第二管道与N₂气瓶连通，三通接头的第二入口通过第三管道与CO₂气瓶连通；在第一管道上配置有质量流量控制器，在第二管道上配置有第一减压阀和第一电磁阀，所述第一减压阀的入口与N₂气瓶连通，第一减压阀的出口与第一电磁阀连通；在第二管道上配置有第二减压阀和第二电磁阀，第二减压阀带红外加热，第二减压阀的入口与CO₂气瓶连通，第二减压阀的出口与第二电磁阀连通；所述电加热体、热电偶、质量流量控制器、第一电磁阀、第二减压阀和第二电磁阀均分别与控制装置电连接。

按上述方案，所述控制装置包括输入输出控制单元、温度控制单元和流程控制单元，输入输出控制单元、温度控制单元和流程控制单元之间通过CAN总线两两相互通讯。

按上述方案，所述输入输出控制单元包括开关量输出模块、模拟量输入输出模块、加热功率输出模块以及电偶输入模块，所述第一电磁阀、第二电磁阀和第二减压阀均分别与开关量输出模块相连，所述质量流量控制器与模拟量输入输出模块相连，所述电加热体与加热功率输出模块相连，所述热电偶与电偶输入模块相连；所述加热功率输出模块和电偶输入模块均分别与温度控制单元相连。

按上述方案，所述流程控制单元用于设定试验流程，并根据试验阶段向输入输出控制单元发送控制指令，控制气体的切换和气体流量的调节，并向温度控制单元发送温度控制目标及试验阶段状态；所述输入输出控制单元用于开关量的输出及模拟量的输入和输出，接收流程控制指令，向各阀门和质量流量控制器发出开启或关闭动作信号及流量调节信号，同时为温度控制单元提供功率输出控制模块和电偶输入模块的连接端口；所述温度控制单元用于获取流程控制单元发送的当前试验状态和目标温度等参数，从输入输出控制单元获取当前试验状态下各阀门的开闭状态以及气体流量参数，对获取的信息进行整合并选取控制策略，向功率输出控制模块发送指令调节电加热体的加热功率。

按上述方案，所述温度控制单元采用Fuzzy-PID复合控制模式，温度控制单元包括模糊控制模块和PID控制模块；温度控制单元设定切换阀值，在试验流程的升温段,以及在恒温段,当热电偶测得的焦炭反应器内的温度与目标温度的温差超过切换阀值时，由模糊控制模块控制电加热体的加热功率，调节焦炉反应器内的温度；在试验恒温阶段，热电偶测得的焦炭反应器内的温度与目标温度的温差小于切换阀值时，由PID控制模块控制电加热体的加热功率，调节焦炭反应器内的温度。

按上述方案，在通入CO₂和N₂的两个试验阶段，切换阀值可设置为不同值。

按上述方案，所述模糊控制模式设定有三套模糊控制规则，一套用于焦炭反应器未通气体的试验阶段，此时的模糊控制规则与该试验阶段焦炭反应器的工作状况相适应；另两套分别用于焦炭反应器通入N₂气体和CO₂气体的试验阶段，此时的模糊控制规则分别与相应试验阶段焦炭反应器的工作状况相适应。

按上述方案，PID控制模块设定两种控制参数，一种控制参数用于通入N₂的试验阶段，另一种控制参数用于通入CO₂的试验阶段。

本发明的有益效果为：本发明中的控制装置三个单元之间相互反馈，温度控制单元采用模糊控制与PID相结合并由多套模糊规则及多套PID参数组成多种控制策略的的控制方式，针对不同的试验阶段炉况及焦炭反应器内的温度变化优选温度控制策略，对焦炭反应器内的温度实时调节，减少了由于试验的不同阶段电炉的参数及气氛变化导致的控制参数失配（如通入的CO₂与焦炭反应吸热温度降低）造成的控温偏差过大，提高了试验中的控温精度，试验结果与实际值的偏差小，更具有参考价值；控制装置采用多模块化设计，便于安装调试及检修维护。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。

图2为控制装置的结构示意图。

其中：1、N₂气瓶；2、第一减压阀；3、第一管道；4、CO₂气瓶；5、第二减压阀；6、第一电磁阀；7、第二电磁阀；8、质量流量控制器；9、焦炭反应器；10、电炉；11、电加热体；12、热电偶；13、控制装置；14、第二管道；15、第三管道。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述。

如图1所述的一种焦炭热反应性试验系统，主要包括电炉10、N2气瓶1、CO2气瓶4和控制装置13，所述电炉1内置有焦炭反应器9，焦炭反应器9内设置有热电偶12和电加热体11，焦炭反应器9的进气口通过第一管道3与三通接头的出口连通，三通接头的第一入口通过第二管道14与N₂气瓶1连通，三通接头的第二入口通过第三管道15与CO₂气瓶连通；在第一管道3上配置有质量流量控制器8，在第二管道14上配置有第一减压阀2和第一电磁阀6，所述第一减压阀2的入口与N₂气瓶1连通，第一减压阀2的出口与第一电磁阀6连通；在第二管道14上配置有第二减压阀5和第二电磁阀7，第二减压阀5带红外加热，第二减压阀5的入口与CO₂气瓶4连通，第二减压阀5的出口与第二电磁阀7连通；所述电加热体11、热电偶12、质量流量控制器8、第一电磁阀6、第二减压阀5和第二电磁阀7均分别与控制装置13电连接。

如图2所示，控制装置13包括输入输出控制单元、温度控制单元和流程控制单元，输入输出控制单元、温度控制单元和流程控制单元之间通过CAN总线两两相互通讯；所述输入输出控制单元包括开关量输出模块、模拟量输入输出模块、加热功率输出模块以及电偶输入模块，所述第一电磁阀6、第二电磁阀7和第二减压阀5均分别与开关量输出模块相连，所述质量流量控制器8与模拟量输入输出模块相连，所述电加热体11与加热功率输出模块相连，所述热电偶12与电偶输入模块相连；所述加热功率输出模块和电偶输入模块均分别与温度控制单元相连。

本发明中，流程控制单元用于设定试验流程，并根据试验阶段向输入输出控制单元发送气体切换、气体流量调节的控制指令，向温度控制单元发送试验阶段状态及目标温度等参数；输入输出控制单元采用MCU为主控，用于开关量的输出，以及模拟量的输入和输出，即接收流程控制单元的控制指令，向各阀门和质量流量控制器8发出开启或关闭动作信号及流量调节信号，同时为温度控制单元提供加热功率输出模块和电偶输入模块的连接端口；温度控制单元接收流程控制单元发送的当前试验阶段信息和目标温度等参数，同时获取当前试验状态下各阀门的开闭状态以及气体流量参数等信息，并对获取的信息进行整合分析，选取控制策略，向功率输出控制模块发送动作指令调节电加热体11的加热功率，从而实现焦炭反应器9内的温度调节。

温度控制单元采用Fuzzy-PID复合控制模式，根据各试验阶段的目标温度、第一电磁阀6、第二电磁阀7以及质量流量控制器8的状态设定模糊控制模块和PID控制模块：温度控制单元设定切换阀值，如80℃（具体切换阀值根据实际情况而定），在试验流程的升温段,以及在恒温段当热电偶12测得的焦炭反应器9内的温度与目标温度的温差超过切换阀值80℃时（此时温度偏差过大），由模糊控制模块控制电加热体11的加热功率，调节焦炉反应器9内的温度，使其温度尽快逼近目标温度；在试验恒温阶段，热电偶12测得的焦炭反应器9内的温度与目标温度的温差小于切换阀值80℃时，由PID控制模块控制电加热体11的加热功率，调节焦炉反应器9内的温度。切换阀值在通入CO₂和N₂的试验阶段可分别优化设置为不同的值。

模糊控制模块设定三套模糊控制规则，第一套用于焦炭反应器11尚未通气体的试验阶段，此时的模糊控制法则与该试验阶段焦炭反应器9的工作状况相适应的；另两套分别用于焦炭反应器11通入N₂气体和CO₂气体的试验阶段，此时的模糊控制规则分别与相应试验阶段焦炭反应器9的工作状况相适应的。PID控制模块设定两种控制参数：第一种控制参数用于通入N₂的试验阶段，第二种控制参数用于通入CO₂的试验阶段，PID控制的积分分量采用预置数的方式实现无扰切换。

实施例：利用本试验系统进行焦炭热反应性及反应后强度试验具体包括以下过程：

1、在控制装置13内设定各个试验阶段的相关参数：切换阀值为80℃；升温阶段，目标温度也即升温阶段T₁为400℃，升温速度8-16℃/min(据实际需要设定)；升温且N₂通入阶段，目标温度T₂为1100℃，升温速度8-16℃/min(据实际需要设定)；恒温阶段，目标温度T₃为1100℃，反应时间t为2h；降温阶段，目标温度100℃；

2、根据要求在焦炭反应器内添加焦炭料层，试验开始；

3、升温阶段：热电偶12检测焦炭反应器9内的温度并将该温度信号发送至温度控制单元，温度控制单元接收温度信号，并整合比对流程控制单元发送的试验阶段状态及目标温度和从输入输出控制单元获取的阀和气体流量状态，选取控制策略：在该试验阶段采用模糊控制模块并采用焦炭反应器未通气体试验阶段的模糊规则控制电加热体11的加热功率，使焦炉反应器9内的温度在要求的升温速率内迅速接近目标温度400℃；

4、升温且N₂通入阶段：输入输出控制单元接收流程控制单元发送的控制指令，控制第一电磁阀6开启并调节质量流量控制器8使N₂流量至0.8L/min；温度控制单元接收流程控制单元发送的试验阶段状态及目标温度信号和从输入输出控制单元获取的阀和气体流量状态，并与采集的焦炭反应器9内的温度进行整合分析，选取控制策略：在该试验阶段的前期，热电偶12测得的温度与目标温度（1100℃）的温差超过80℃时，用模糊控制模块并采用焦炭反应器通入N₂气体试验阶段的模糊控制规则控制电加热体11的加热功率，使焦炉反应器9内的温度在要求的升温速率内迅速逼近1020℃；在该试验阶段的后期，接近恒温阶段时，若热电偶12测得的温度与最终目标温度的温差不超过80℃，用PID控制模块并采用通入N₂试验阶段的PID参数控制电加热体11的加热功率，使焦炉反应器9内的温度更接近目标温度1100℃；焦炉反应器9内的温度达到1050℃时，流程控制单元发送控制指令使输入输出控制单元给第二减压阀5内的红外加热灯加热。

5、恒温阶段：输入输出控制单元接收流程控制单元发送的控制指令，控制第一电磁阀6关闭和第二电磁阀7开启，调节质量流量控制器8使CO₂气体流量至5L/min；温度控制单元接收流程控制单元发送的试验阶段状态及目标温度信号和从输入输出控制单元获取的阀和气体流量状态，并与采集的焦炭反应器9内的温度进行整合分析，选取控制策略：在该试验阶段，若热电偶12测得的温度与目标温度（1100℃）的温差超过80℃，用模糊控制模块并采用通入CO₂气体试验阶段的模糊控制规则控制电加热体11的加热功率，使焦炉反应器9内的温度迅速稳定在1100±80℃范围内(80℃阀值据实际情况进行优化)；若热电偶12测得的温度与目标温度（1100℃）的温差不超过80℃，用PID控制模块并采用通入CO₂试验阶段的PID参数控制电加热体11的加热功率，使焦炉反应器9内的温度更接近目标温度1100℃；

6、降温阶段：输入输出控制单元接收流程控制单元发送的控制指令，控制第二减压阀5内的红外加热灯和第二电磁阀7的关闭，控制第一电磁阀6的开启，调节质量流量控制器8使N₂流量至2L/min；温度控制单元接收流程控制单元发送的试验阶段状态及目标温度信号和从输入输出控制单元获取的阀和气体流量状态，控制电加热体11关闭加热功率，使焦炭反应器9内的温度冷却下降至100℃；

7、反应结束，输入输出控制单元接收流程控制单元发送的控制指令，控制第一电磁阀6关闭，调节质量流量控制器8至关闭状态。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。